天然淀粉改性機(jī)制及應(yīng)用概述

陳嚴(yán)雙

（西北民族大學(xué)，甘肅蘭州 730071）

天然淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類，基本構(gòu)成單位為α-D-吡喃葡萄糖，分子式為（C6H10O5）n。它是一種由葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物，廣泛分布于自然界中，主要來源于高等植物的根、莖、葉和果實(shí)等器官中。其品種十分豐富，一般包括禾類淀粉、薯類淀粉和豆類淀粉。

天然淀粉以其許多獨(dú)特的性能被人們所喜愛，其中包括可再生性、無毒無害性、可降解、可被修飾以及環(huán)境友好性和來源廣泛、價(jià)格低廉等。因此天然淀粉被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。但是在實(shí)際生產(chǎn)生活中，天然淀粉仍然存在容易老化、不溶于冷水、表面性能穩(wěn)定性差、耐機(jī)械性差和成型膠體不穩(wěn)定的缺陷，這極大地限制了天然淀粉在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。因此將天然淀粉通過特定的改性改善其性能，使其更好地服務(wù)于大眾成為近年來的研究熱點(diǎn)。其中常用的改性機(jī)制包括物理改性、化學(xué)改性、復(fù)合改性以及生物酶改性，這些方法針對(duì)生產(chǎn)要求對(duì)天然淀粉進(jìn)行特定改性，使改性淀粉擁有特定性能，實(shí)現(xiàn)更好地服務(wù)于特定行業(yè)，擴(kuò)大天然淀粉在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用范圍。本文詳細(xì)闡述了幾種改性機(jī)制以及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)改性天然淀粉材料在未來的發(fā)展做出了展望[1]。

1 改性機(jī)制

天然淀粉顆粒是由多種成分組合而成的混合物，對(duì)其改性就是通過各種特定方法改變其顆粒的結(jié)構(gòu)分布，使其具有新的且符合要求的特性。目前這些方法大體可分為物理改性、化學(xué)改性、復(fù)合改性以及生物酶改性四種，以下對(duì)四種方法做詳細(xì)介紹。

1.1 物理改性

物理改性機(jī)制是通過物理手段作用于天然淀粉，以此獲得不同性能的改性淀粉。包括通過磁場(chǎng)、力場(chǎng)、熱場(chǎng)、電場(chǎng)對(duì)天然淀粉進(jìn)行微波處理、超聲波處理、高壓或擠壓處理、熱液處理、電離處理等。物理改性主要對(duì)天然淀粉的結(jié)晶度和反應(yīng)活性等進(jìn)行改變[2]。熱處理后的天然淀粉規(guī)則排列的膠束被破壞，微晶消失且容易接受酶的作用，這種改性后的產(chǎn)品便是預(yù)糊化淀粉，也叫a-淀粉。通過高壓或擠壓處理的天然淀粉，結(jié)構(gòu)上也會(huì)發(fā)生不同變化，所得產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)、石油工業(yè)和紡織工業(yè)中。與化學(xué)改性相比，該法具有便捷，操作較安全，對(duì)環(huán)境無害的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其改性機(jī)制大多處于特定的物理環(huán)境下，因此其設(shè)備成本較高，生產(chǎn)能力較低，不滿足大規(guī)模化的生產(chǎn)需求。

1.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是通過一系列化學(xué)處理手段對(duì)天然淀粉進(jìn)行改性，使天然淀粉分子結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化，包括分子量改變，分子鏈上引入功能性基團(tuán)等。常見的技術(shù)包括氧化、醚化、酯化以及酸性化和接枝化。該法所得產(chǎn)品性能極大改善，例如提高了穩(wěn)定性、耐老化性、成膜性、黏合性和透明度等。由化學(xué)改性所得的改性淀粉性能更加廣泛且十分優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)[3]。

1.2.1 氧化、酸化淀粉

研究表明，利用次氯酸鈉、雙氧水、高錳酸鉀等氧化劑在特定條件下（溫度，壓力，反應(yīng)時(shí)間）對(duì)天然淀粉進(jìn)行氧化處理，其性能會(huì)有大幅改變，例如次氯酸鈉氧化淀粉，它是氧化淀粉工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的一類。由該工藝得到的產(chǎn)品成膜性、光亮度、穩(wěn)定性流動(dòng)性好，可較好地應(yīng)用于造紙行業(yè)和紡織工業(yè)，并且能代替瓊脂和阿拉伯膠制造果凍和軟糖，建材方面還可作黏合劑制造墻板、紙板等。高錳酸鉀氧化淀粉由于其催化劑的特點(diǎn)，基本很少使用于食品行業(yè)，但研究其對(duì)淀粉基生物塑料薄膜的影響結(jié)果表明，提高了塑料薄膜的生物降解性和材料的力學(xué)性能，并且可作為黏合劑和水溶性涂料應(yīng)用于建筑行業(yè)。酸改性淀粉主要是在酸性作用下改變淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，使分子鏈斷鏈，從而分子量變小。由此可以使原淀粉的膠凝性增強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中果凍和軟糖的生產(chǎn)。

1.2.2 醚化、酯化淀粉

這兩種改性方法都是通過在特定反應(yīng)條件下引入功能性基團(tuán)，使改性后的淀粉具有特定的性質(zhì)。醚化是天然淀粉分子中的羥基和活性物質(zhì)反應(yīng)生成的取代基醚，包括羥烷基淀粉、羧烷基淀粉、烷基淀粉醚等。通過淀粉和環(huán)氧烷化合物在堿性條件下合成的羥烷基淀粉具有較高的透明性、親水性、流動(dòng)性、成膜性和穩(wěn)定性。酯化是天然淀粉在無機(jī)酸或有機(jī)酸作用下發(fā)生酯化反應(yīng)生成淀粉酯，常見的包括淀粉醋酸酯和淀粉磷酸酯，其具有良好的熱塑性和疏水性等特點(diǎn)。天然淀粉通過醚化酯化極大改善了其原有的性能，擴(kuò)大了天然淀粉的應(yīng)用領(lǐng)域[4]。

1.2.3 接枝淀粉

淀粉的接枝共聚物是天然淀粉通過物理或化學(xué)反應(yīng)，和丙烯酸、丙烯腈、MMA等烯類單體發(fā)生接枝共聚反應(yīng)而得到的一類新型的高分子材料。它具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、流變性能、生物降解性及生物相容性，可用于制備高吸水樹脂、絮凝劑、可降解材料等，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1.3 復(fù)合改性

隨著當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)材料性能的要求不斷提高，單一材料的性能已不能滿足人們的需要，這就需要同時(shí)擁有多種性能的材料，而復(fù)合改性就是其中的關(guān)鍵技術(shù)。通過多種處理方式，包括交聯(lián)酯化淀粉、交聯(lián)醚化淀粉、醚化氧化淀粉等獲得的變性淀粉擁有多種的優(yōu)良性能，以此來滿足人們的需求。關(guān)于復(fù)合改性的研究也隨著材料行業(yè)的不斷發(fā)展而發(fā)展，其應(yīng)用前景非常可觀。

1.4 生物酶法改性

近年來，利用生物酶對(duì)淀粉進(jìn)行改性處理是一種有效的手段，并逐漸受到人們重視。改性中常用到的生物酶包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、轉(zhuǎn)葡糖苷酶、普魯蘭酶、糖化酶等，不同酶對(duì)淀粉的作用不同，得到改性后淀粉的性能也有所差異。但酶改性淀粉普遍具有良好的抗老化性能、優(yōu)良的流變性能并且綠色環(huán)保無污染。此外酶改性條件較溫和，其產(chǎn)品更是符合綠色環(huán)保理念，易于被人體消化吸收且具有特定的生理特性。例如夏新興等用α-淀粉酶作用于天然玉米淀粉[5]，將獲得的酶改性淀粉應(yīng)用于表面施膠，可以顯著提高紙張表面的強(qiáng)度性能。熱分析后可以明顯看到天然玉米淀粉強(qiáng)度，流變性能均得到較大改善。但該法也有一定缺陷，包括生物酶成本高、處理量小、難以工業(yè)化等。

2 改性天然淀粉的應(yīng)用

2.1 食品工業(yè)

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品衛(wèi)生，質(zhì)量的要求也越來越高。利用天然淀粉和改性天然淀粉為原料生產(chǎn)的食品具有綠色環(huán)保，易于人體吸收，口感細(xì)膩等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此備受青睞。改性天然淀粉作為常用的食品添加劑被廣泛應(yīng)用于面制品、果凍糖果類制品以及膳食纖維類制品行業(yè)中，例如在面團(tuán)中加入改性天然淀粉可增加面團(tuán)的黏彈性、易成型性，使面條口感細(xì)膩，在肉制品中可以增加其凍融穩(wěn)定性、彈性、保水性等。此外果凍中添加膠體淀粉，可以改善果凍的凝膠特性，使口感更加飽滿。當(dāng)今食品工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的改性天然淀粉有交聯(lián)酯化淀粉、羥丙基淀粉、羥丙基交聯(lián)淀粉、醚化淀粉等[6]。

2.2 醫(yī)藥行業(yè)

由于淀粉具有無毒無害，良好的生物相容性，且容易被人體吸收的特性，因此被廣泛應(yīng)用于生物制藥行業(yè)。根據(jù)不同需要可制成功能不同的藥物制劑。例如靶向給藥載體“接枝交聯(lián)淀粉納米粒”具有較高的膨脹性，能有效傳遞藥物至病灶處，有助于藥物的精確吸收達(dá)到良好的藥效，在癌癥腫瘤的治療方面起到積極意義。當(dāng)高直鏈淀粉羧甲基鈉的取代度為0.1~0.2時(shí)可用作藥物的賦形劑，對(duì)藥物控釋良好。此外醫(yī)藥中還常被用作為片劑、醫(yī)用手套潤滑劑等。改性淀粉在醫(yī)藥方面意義重大，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用價(jià)值和前景值得期待。

2.3 黏合劑行業(yè)

在日益倡導(dǎo)綠色環(huán)保的今天，淀粉基黏合劑越來越受到人們關(guān)注，由于傳統(tǒng)的三醛膠普遍存在甲醛VOC排量放較大，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，因此淀粉基黏合劑的研究與開發(fā)迫在眉睫。淀粉膠黏劑具有原材料淀粉來源廣泛、價(jià)格低廉、天然無刺激等特點(diǎn)，已成為傳統(tǒng)合成樹脂膠黏劑的一種理想替代產(chǎn)品，但由于其存在耐水性較差、固含量較低等缺陷，并沒有被廣泛使用，但隨著對(duì)其改性機(jī)制的研究不斷深入[7]，相信在未來一定會(huì)得到綜合性能良好的黏合劑產(chǎn)品。

2.4 造紙行業(yè)

天然淀粉來源廣泛，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境污染小且具有和纖維類似的結(jié)構(gòu)，因此被廣泛應(yīng)用于造紙行業(yè)[8]。改性后的天然淀粉能賦予紙張優(yōu)良的性能，例如改善表面紋理，提高紙張強(qiáng)度等。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道磷酸酯淀粉可用于紙頁表面施膠，能夠改善紙張的平滑度，提高成膜性能，并且淀粉改性填料與纖維的黏結(jié)性和接觸性較好，粒徑較大，研究表明當(dāng)在紙張配料中添加量為10%時(shí)，可使紙張強(qiáng)度提高約15%。

綜上所述，改性天然淀粉在食品、醫(yī)藥、黏合劑、造紙等行業(yè)的應(yīng)用廣泛，不僅如此在制革、紡織印染、鑄造業(yè)和水處理等方面也有應(yīng)用，是眾多工業(yè)的輔助原料。

3 結(jié)束語

隨著人類文明的發(fā)展歷程，天然淀粉一直被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，改性天然淀粉不斷成為人們的主要研究對(duì)象，由于改性后的天然淀粉在各個(gè)方面的性能均有較大的改善，因此被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)食品、醫(yī)藥、黏合劑、造紙等行業(yè)，隨著材料行業(yè)的不斷進(jìn)步，改性天然淀粉的性能也將越來越優(yōu)異。通過對(duì)天然淀粉改性機(jī)的詳細(xì)闡釋，可以看出各種改性方法都有一定缺陷，相信隨著人們對(duì)材料需求的不斷提升，各種新型技術(shù)和設(shè)備也將浮現(xiàn)，定會(huì)開辟改性淀粉綜合利用的新領(lǐng)域，屆時(shí)新型的改性技術(shù)將會(huì)使改性淀粉有更加廣闊的應(yīng)用前景。